公路车载动态称重系统设计方案与开发.docx

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公路车载动态称重系统设计方案与开发

公路车载动态称重系统的设计与开发

摘要

公路车载动态称重系统的设计对于保护公路的正常使用有着重要的经济意义和社

会价值。

随着公路运输工业生产和商业贸易的不断发展，产生了对公路车辆进行动态称

重越来越严格的要求，动态称重是路政部门加强正常运输、强制超载超限、提高管理工

作效率，实现路政系统管理现代化、科学化的一项关键技术。

就公路车载动态称重系统而言，称重的精度是最重要的性能指标，它标志着公路车

载动态称重系统的技术水平的高低。

目前公路车载动态称重系统由于对采集的信号只能

简单的处理，加上建立的数学模型不适合非线性对象的特殊性，同时缺乏对干扰因素以

及各种干扰因素之间的关系做深层次的研究和处理，所以系统的精度难以得到很大的提

高。

鉴于影响动态称重的干扰因素很多，而且这些因素之间不存在确切的函数关系，用

传统的数学模型方法很难分析清楚这些干扰因素之间的关系，所以本文从理论基础方面

入手，从提高称重精度的思想出发，介绍了应用于车载动态称重系统的各种智能算法模

型，比较分析发现对于非线性对象没有解决误差精度问题，最终提出善于非线性建模的

BP神经网络技术，包括网络的基本思想、计算过程、执行步骤、存在的问题，以及针

对动态称重对象的非线性特征以及称重过程中存在的精度不准确问题采取了BP算法

的改进方法，进一步满足了现场环境的称重要求。

通过分析公路车载动态称重对象，建立了BP神经网络动态称重系统模型，根据现

场采集的动态称重数据进行了网络模型的分析与数据训练，训练结果表明精度完全符合

现场要求和国家标准。

对于系统硬件方面，系统采用单片机进行数据采集与传送，对单

片机的选择进行了介绍；用于数据处理的动态称重软件系统除了实现重量数据的处理、

显示和查询等基本功能以外，它还实现了将采集的数据保存于数据库中并能以报表的形

式打印出来的功能，以便于统计和查阅。

本文中主要用到的单片机开发工具是C语言，

工控机里的数据处理系统软件采用VisualC++6.0编程语言，主要利用RS-232串行接口

来提供串口通信，使用BP神经网络对称重采集的数据建模仿真的环境是MATLAB

R2007。

关键词：

动态称重系统，单片机，数学模型，BP神经网络

DESIGNATIONANDEMPOLDEROFHIGHWAY

CAR-LOADINGWEIGH-IN-MOTIONSYSTEM

ABSTRACT

TheHighwayCar-loadingWeigh-in-Motionsystem（WIMS）hasundoubtedlyplayedan

antiveelectronicroleandsocialvalueintheprotectionofhighwaytrancport.Alongwiththe

developmentoftheHighwayTransportation,IndustrialproductionandBusinessTrade,itis

requiredthattheHighwayWIMSneedstosaticfymorequalificationofmodernizationand

scientizationfortherapidautomaticallyandtheenforcementoftheoverloadingrule.

AstotheHighwayCar-loadingWIMS,theweighingprecisionofthevehiclemovingis

themostimportantstandardspecification.ItindicatesthetechnicalleveloftheHighway

Car-loadingWIMS.WhiletheweighingsignalprocessingoftheactualWeigh-in-Motionis

simpledigitalfilterandthemodelisnotfitwellwithnon-lenearedobject.Evenfurthersignal

processingtechniqueofkindsofdisturbingfactors.SotheWIMsystem’sprecisionishardly

improved.

BecausetherearesomanyfactorsaffecttheWIMS’accuracy,andtherearenotexact

functionrelationsamongthesefactors,thispaperintroducessomenewarithmeticmodelsto

settlethesefactorscomparedwithothermodels.IntheoryofimprovingtheWIMsystem’s

precision,finalchanceischoosingBPneuralnetwork.Itmostlyintroducesthebasicidea,

calculatedprocess,executesstepsandexistedproblemsofBPNeuralNetwork,andFinally

putsforwardtheimprovedmethodtosatisfyweigh-in-motionrequirement.

ThroughanalyzingHighwayWIMS’cars,thispaperbasesBPNeuralNerworkmodel.

Theweigh-in-motiondatas,whichgatheredinsceneandtrainedbytheBPNeuralNetwork

model,indicatethattheprecisionaccordswithpracticalrequirementandinternational

standard.Inhardware,thesystemusesingle-chipmicrocomputerandintroducedthechoosing

conditionofthesingle-shipmicrocomputer.TheWIMsystemofthepaperdescribedcan

implementnotonlythebasicfunctionofgatheringdata,processingdata,displaydata,and

querydata,butpreservedthegatheringdataintothedatabaseandprintinform.Thesystem

mainlyuseClanguagetowriteinthesingle-chipmicrocomputer,anduseVisualC++6.0to

writeinthecomputerforprocessingdata.TheRS-232isusedtocommunicatethe

serial.Otherwise,thepaperuseMATLABR2007languagetomodelweighingsystem,

simulinkandtraintheweighingdatas.

KeyWords:

Weigh-in-MotionSystem,Single-ChipMicrocomputer,SystemMathModeling,

BPNeuralNetwork

第一章绪论...................................................................1

1.1公路车载动态称重系统的意义............................................1

1.1.1汽车超限超载的危害...............................................1

1.1.2公路车载动态称重课题研究的意义...................................2

1.2公路车载动态称重系统的国外研究现状....................................3

1.3公路车载动态称重系统的国内研究现状.....................................4

1.4公路车载动态称重系统的发展趋势........................................5

1.5本文研究的主要内容及工作简述..........................................6

1.6本章小结..............................................................6

第二章公路车载动态称重系统整体设计思想........................................8

2.1公路车载动态称重系统硬件系统..........................................8

2.1.1称重板压力传感器.................................................8

2.1.2数据采集系统....................................................10

2.1.3计算机系统......................................................10

2.1.4显示器系统、打印机系统..........................................12

2.1.5动态称重系统一些辅助硬件设备....................................13

2.2公路车载动态称重系统软件系统.........................................13

2.2.1数据采集软件程序设计............................................14

2.2.2数据预处理模块..................................................15

2.2.3显示程序设计....................................................15

2.2.4通信程序模块....................................................15

2.2.5计算机上的软件设计..............................................16

2.3本章小结.............................................................16

第三章公路车载动态称重系统数学建模...........................................18

3.1公路车载动态称重系统的传统建模方法....................................18

3.1.1机理模型........................................................18

3.1.2经验模型........................................................19

3.1.3辨识模型........................................................20

3.2公路车载动态称重系统的BP神经网络建模方法............................21

3.2.1BP神经网络的结构...............................................21

3.2.2输入层和输出层节点数的确定......................................22

3.2.3隐含层数和层内节点数的确定......................................23

3.2.4基本BP算法原理.................................................24

3.3BP神经网络建模方法和传统建模方法的比较...............................28

3.3.1传统建模方法的缺陷..............................................28

3.3.2BP改进算法的措施和方法.........................................28

3.4本章小结.............................................................31第四章基于BP神经网络的动态称重系统模型设计与实现............................33

4.1神经网络控制概述.....................................................33

4.1.1用作控制器的神经网络控制........................................33

4.1.2用作被控对象模型的神经网络控制结构..............................34

4.2基于BP神经网络的公路动态称重系统数据处理............................37

4.2.1动态称重数据处理方法比较与分析..................................37

4.2.2数据获取与BP神经网络模型的建立.................................38

4.2.3BP神经网络算法的实现...........................................44

4.2.4实验结果分析....................................................46

4.3本章小结.............................................................47

第五章结论...................................................................48

5.1全文总结.............................................................48

5.2研究展望.............................................................48

致谢..........................................................................50

参考文献......................................................................51

附录一动态称重现场采集部分数据...............................................53

附录二BP神经网络模型数据训练仿真程序........................................55

简历在读期间发表的学术论文...................................................57

第一章绪论

1.1公路车载动态称重系统的意义

随着经济的发展和科技的进步,各种运输车的数量和比重逐年递增,现代交通运输

业得到飞速的发展。

根据交通部规划，到2010年，公路总里程要达到210万至230万

公里，全面建成"五纵七横"国道主干线，目前人口在20万以上的城市高速公路连接率

将达到90%，高速公路总里程达到5万公里。

面对交通运输业的迅猛发展，汽车超限超

载运输现象问题突出，并且变得越来越严重，公路超限超载现象会造成路面、桥梁等公

路交通设施的损坏，从而恶化了交通道路的服务水平和行车安全状况。

为了有效地治理

超限超载现象，交通部门普遍采用了对动态车辆的重量进行计重收费来治理超限超载问

题，这样公路车载动态称重系统就显得十分迫切和必要

[1][2]

。

随着我国公路管理方法的不断发展和完善，管理手段日趋电子化和信息化，越来越

多的先进技术被引用到公路的监督管理之中，检查车辆超载的办法也由固定地点称重检

测发展到可随时变化地点的称重检测。

车载称重系统，就是其中的一种改良技术，这套

系统解决了以往车辆称重地点固定，不方便在公路全段随机检查的问题，也可以减少因

为检查站空间狭小，通过能力有限而造成通行高峰时避免出现拥堵的现象，改善交通。

本文设计的动态称重系统是江西省南昌市某公司自行设计和开发的公路车载动态称重

系统，已经应用于公路收费的路政执法部门中，用于治理公路交通运输，打击超速超载

现象。

同时提高车载动态称重系统的称重数据精度，降低称重系统的成本仍是一个未能解

决的问题。

国内外一直都在探索一种新型的动态称重方案：

如何设计出速度快、抗干扰

能力强、准确度高的新型动态称重系统，对交通相关部门有效地实施超限管理，保证行

车安全、延长公路的使用寿命、降低公路养护的成本、减少环境污染等方面有着显著的

社会效益和经济效益。

1.1.1汽车超限超载的危害

公路交通运输业的发展无疑对国民经济建设起到了积极的推动作用，但是号称公路

隐形杀手的营运车辆超载现象屡禁不止，其危害是多方面的

[3]

。

一、造成了大量道路交通安全事故

据统计，70%的道路安全事故是由于汽车超限超载引起的，多于50%的死伤性重大

道路交通事故与超限超载有着直接或者间接的关系，汽车超限超载运输给人民生命财产

造成了巨大的损失。

二、超限超载汽车的荷载远远超过了公路和桥梁的设计承受荷载，致使路面损坏、

桥梁断裂，大大缩短公路的正常使用年限，使其不得不提前进行大修。

交通部的实验表

明，一辆超载100%的车辆，通过沥青路面一次所造成的破坏程度，相当于核定载荷的

标准车辆走265次；通过水泥路面一次造成的破坏程度，相当于核定荷载的标准车辆走

6.55万次。

据有关专家介绍，超重10吨的货车超载1倍，对公路的破坏力相当于正常载重

时的16倍；超载2倍，对公路的破坏力增加80倍。

而且核定载重量越大的车辆，超载对

公路的破坏越严重。

三、导致了道路运输市场的恶性竞争

货车车主竞相压价承揽货源，以超限超载的方式来获取利润，结果超载的越多，赚

钱就越多，形成了“压低价格-超限超载-运力过剩-在超限超载”这样的恶性循环。

四、严重污染大气环境

由于超限超载车辆燃油系统负荷过大，尤其是燃油净化系统不能正常运转，燃烧不

完成的情况下，尾气严重超标，导致车辆行驶过程中的黑烟尾气，对公路两旁周围环境

造成了严重的大气环境污染。

鉴于超限超载运输车辆所造成的巨大危害，加强公路运输的管理、保障行车安全等

问题也显得日趋重要。

交通部2000年2号令《超限运输车辆行驶公路管理规定》（以下简

称规定）于2000年4月1日起执行，《规定》对各类车辆的轴载质量作了明确规定并指出

“公路管理机构可根据需要在公路上设置车辆轴载质量及车辆总质量检测装置”，可见，

有效治理超限超载问题迫在眉睫。

1.1.2公路车载动态称重课题研究的意义

鉴于国内车辆超载、超限的严重性，公路交通管理相关部门急于收集当前公路上行

驶的车辆车型组成、轴载谱和超重程度、分析超重车辆对路面的损害影响程度，以便估

算公路交通部门需为此增加的建设投资，并制定相应的管理措施和法规，为公路运营部

门按车重收费提供有效技术手段。

目前对车辆的超限超载检测有静态和动态两种方法：

静态称重虽然精度高，但其规

模较大，引人注目，往往使许多超限超载车辆易于逃避，同时静态称重还容易造成交通

不通畅，难以发挥高速公路的优越性；而动态称重系统能实现超载治理和不停车计重收

费系统的完美结合，因此动态称重是现代交通中超限超载运输测量的主要手段和发展方

向，是不停车计重收费的基础。

但由于影响动态称重精度的因素较多，例如，汽车的振

动、路面的不平整程度、汽车的通过速度等等。

这些因素势必会使测量精度降低，使测

量结果不准确、不具说服力。

为了提高动态称重系统的测量精度，国内很多研发机构和

公司长期致力于动态称重系统的研究，但是一直以来并没有取得太大的突破和进展。

而

国外的设备价格十分昂贵而且没有知识产权，因此对动态称重系统进行进一步的研究，

包括如何设计出速度快、抗干扰能力强、准确度高的新型全自动汽车动态称重超限管理

系统，对交通部门有效地实施超限超重管理，保证行车安全、延长公路的使用寿命、降

低公路养护的成本、减少环境污染等方面都有着显著的社会效益和经济效益。

公路车载动态称重系统主要由动态称重系统和视频监控系统两个部分组成，其总体

系统实现原理就是将便携式称重仪器、监控摄像机、数字图像处理器等相关电子设备装

配到改装车车身上，让现场的路政工作人员可以通过视频监控和称重系统测量出来的数

据来监督整个车辆称重的过程。

图1-1是公路车载动态称重系统的总体设计框架图，本

文的主要研究内容就是对称重采集的数据进行处理，获得精度很高的称重结果。

车载动态称重系统车灾视频监控系统

图1-1公路车载动态称重系统总体框架图

Fig.1-1StructureofWeigh-in-MotionSystem

1.2公路车载动态称重系统的国外研究现状

国外许多国家的公路交通运输也普遍存在超限超载现象。

为了避免超限超载车辆引

发的一系列危害，欧洲、美国、日本、加拿大等一些国家从上个世纪50年代就开始对

公路车载动态称重系统进行研究并取得了一系列显著的成果，在改善称重环境和提高称

重精度方面取得了很大的进步，如表1-1所示是国外一些国家关于动态称重系统的研究

发展历程以及所取得的一些成果

[4][5]

。

1.3公路车载动态称重系统的国内研究现状

我国高等级公路的发